大型鋼錠凝固特性的初步研究

金 楊 安紅萍 馬 平 孫海燕

(1.中國第二重型機械集團公司鍛造分廠，四川618000；2.太原科技大學材料學院，山西030024)

大型鍛件的生產能力是衡量一個國家重大技術裝備自給能力的重要標志之一，對國家的經濟建設、國防力量都有著至關重要的意義。目前，我國大鍛件的生產已初具規模，但與發達國家相比，仍存在較大差距。某些質量要求高的大鍛件目前還只能依靠進口，因此盡快提高我國鍛件的質量就成為所有重型企業急需解決的問題。鍛件的質量取決于鋼錠質量，而鋼水的凝固是一個極其復雜的物理化學過程，難以直接觀察。國外冶金行業大發展的重要原因之一就是堅持不斷的對大型鋼錠及鍛件進行解剖分析，研究其內部質量以改進煉鋼、鍛造及熱處理工藝[1，2]。我國在鋼錠解剖方面的起步較晚，相關的報道也比較少，僅有上海重型機器廠在20世紀70～80年代解剖了一支55 t鋼錠的報道[2]。然而，隨著現在鋼錠的超大型化，其凝固特性已與之前大大不同。目前，不少學者用數值模擬的方法對鋼錠內部的偏析、縮孔等缺陷進行了預測，在一定領域取得了很好的效果[3，4]，但很多結果還有待進一步驗證。而最直觀有效的獲得鋼錠內部組織結構的方法就是對鋼錠進行解剖研究。為詳細了解現今特大型鋼錠的內部組織結構，優化冶煉鍛造工藝，提高鋼錠及鍛件的質量，二重集團公司最近選擇了當前產品中的典型代表——234 t鋼錠進行解剖分析，研究其凝固特性以優化工藝。

1 鋼錠的冶煉及澆注

使用80 t電弧爐冶煉粗水，隨后在150 t鋼包精煉爐中進行精煉處理，采用雙包合澆的方式澆注234 t真空鋼錠。為減少元素偏析，人為的將先澆包鋼水成分調至標準上限，第二包位于標準下限。鋼水冶煉成分要求如表1所示。

2 鋼錠的解剖

由于鋼錠巨大，無法對其進行整體取樣，所以事先將冒口端沿冒口線氣割取下，并切除鋼錠底部，隨后分別在冒口和錠身上沿鋼錠中心線取試塊進行取樣分析。鋼錠解剖的現場照片如圖1所示，圖2為取下的試塊照片，試塊厚度約為300 mm，切割時保留鋼錠中心線。試塊切割下來后，對其進行消應處理。在處理后的試塊的半面上套取棒狀試樣進行化學分析及夾雜物評定，錠身及冒口共套取了約260個試樣。剩下的一半試塊加工后進行酸洗、硫印等檢驗，研究其鑄態組織和冶金缺陷。

對鋼錠錠身部分進行硫印和酸洗試驗，觀察其凝固特性以及內部組織結構。整個鋼錠錠身部分硫印評級結果為0.5級，這說明目前的精煉工藝能滿足高水平產品生產的需要。鋼錠鑄態組織金相照片如圖3～圖5所示。

表1 化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composes of the ingot(mass fraction, %)

圖1 鋼錠切割現場照片Figure 1 Photo of dissection

圖2 切取的試塊照片Figure 2 photo of specimen

(a)全貌 (b) 局部放大圖3 錠身上部接近冒口處的金相組織Figure 3 The metallographic structure(top of steel ingot body)

(a)全貌 (b) 局部放大圖4 鋼錠錠身中部的金相組織Figure 4 The metallographic structure(middle of steel ingot)

(a)全貌 (b) 局部放大圖5 鋼錠尾部的金相組織Figure 5 The metallographic structure(steel ingot bottom)

通過現場觀察及以上低倍照片可以看出，在鋼錠底部(包括圖5以及圖4下1/3處)，其凝固主要由鋼錠底盤與鋼錠模共同作用，組織生長形式表現為由鋼錠底盤與鋼錠模接觸處向內向上逐漸凝固，直至鋼錠中心部位；在此以上的區域的凝固主要由鋼錠模吸熱控制，結晶形式表現為橫向生長，如圖3所示。根據觀察，鋼錠的組織形態大致可以分為表面激冷層、柱狀晶區、扁長柱狀晶區。其中表面激冷層約(110～120)mm，柱狀晶區約500 mm。由柱狀晶至鋼錠中心處為扁長柱狀晶區，觀察不到中心等軸晶區，如圖6所示。鋼錠形成此種結構的原因還有待下一步深入研究。

為進一步研究鋼錠的組織結構及晶粒大小，沿鋼錠徑向從鋼錠中心至鋼錠邊緣依次取樣，進行實驗研究。取樣示意圖如圖7所示，共取下14個樣。

圖6 鋼錠的結構Figure 6 The metallographic structure from the surface to interior

圖7 徑向取樣示意圖Figure 7 Sketch of radial sampling

對上述14個試樣用砂紙進行打磨、拋光后，用不同的腐蝕液進行腐蝕，對其組織結構及晶粒大小分布進行研究，部分結果如表2所示。

表2鋼錠徑向組織分布圖
Table 2 The metallographic structure at radial

從以上金相照片中可以看出，樹枝晶很少，幾乎全為較大的柱狀晶粒，最大的長度達38.44 mm，可能是此材料為高純凈鋼的緣故。

對各樣的晶粒大小逐一測量，使用晶粒的長寬比表征晶粒的大小，所得結果如圖8所示。

結合具體晶粒尺寸，在鋼錠局部范圍內從中心向外1～3號樣屬于較細的柱狀晶區，4～12號樣為粗大的柱狀晶區，13、14號樣為細晶區，這與現場觀察的結果大致吻合。

現場實驗還發現，在鋼錠沿中心線方向距冒口線下方約450 mm處存在一條寬(20～ 30)mm，長約1 400 mm的細長疏松帶，無二次縮孔，鋼錠表面無肉眼可見的夾雜物及細紋，鋼錠錠身下部未觀察到沉積錐的出現。鋼錠疏松及縮孔的照片如圖9所示。由圖9發現，鋼錠最大的疏松孔約為5 mm×20 mm，其余是尺寸約為(2～5)mm的微孔洞。考慮到鋼錠的大小，可以說在此工藝條件下，鋼錠凝固收縮情況良好。唯一的不足之處在于此鋼錠的疏松帶稍微偏下，可能的原因是雙包澆注過程中后澆包的溫度較先澆包低，導致鋼液的熱點位于鋼錠中部，晚于鋼錠上部凝固。

圖8 鋼錠不同部位晶粒長寬比Figure 8 Aspect ratio of crystal grain from the surface to interior

圖9 鋼錠中疏松及縮孔Figure 9 Shrinkage porosity and shrinkage cavity in steel ingot

3 鋼錠的偏析

為進一步了解鋼錠的偏析情況，對試塊進行套樣分析，并將其在鋼錠中的位置進行標定，圖10即為C在鋼錠中的分布圖。從圖中可以看出，鋼錠大致可分為正偏析區、負偏析區兩個含碳量不同的區域，不存在A偏析區。負偏析區主要集中在鋼錠底部中心部位，所占的面積較小；正偏析區集中在冒口及冒口線以下約800 mm的位置，區域面積稍大。可能的原因是第二包的澆注溫度低于第一包，導致鋼錠最后凝固的區域靠下，以至于C在鋼錠冒口線下富集，這與鋼錠疏松區域的分布也是一致的，可以通過調整鋼錠的澆注溫度來減小正偏析的區域面積，提高鋼錠利用率。此外，Cr、Mo等元素在鋼錠中的偏析的大致趨勢與C的偏析相似，在此不做累述。

圖10 C在鋼錠中的分布(虛線為鋼錠輪廓示意圖)Figure 10 Distribution of carbon in steel ingot

4 結論

此次鋼錠解剖得出了大量的實驗數據，根據數據分析我們可以得出以下結論：

(1)在鋼錠的剖面未發現較大的縮孔，也未發現二次縮孔。經過酸蝕后，剖面中心線部位存在輕微的疏松，有少量疏松孔(最大約5 mm×18 mm)。由鋼錠邊緣至鋼錠中心大致分為激冷層、柱狀晶區、扁長柱狀晶區，未觀察到中心等軸晶區，這可能與鋼錠的冷卻條件有關。

以上情況說明，在當前工藝條件下，鋼水在鋼錠模中的冷卻條件較為合適，冒口補縮良好，鋼錠模的設計與冒口的保溫條件相適宜。需要改進的是更精確的控制各包的澆注溫度以確保鋼錠最終凝固區域在鋼錠冒口處。

(2)C在鋼錠中的分布可分為正偏析區和負偏析區，不存在A偏析區。負偏析區位于鋼錠下部，所占面積較小。正偏析區域面積稍大，且位置靠下，可以通過調整鋼錠的澆注溫度予以改善。

此外，由于實驗進度的原因，鋼錠中氣體及夾雜物分布，還有待于下一步的分析研究。

[1] 徐彥和.大型鋼錠及鍛件的解剖[J].大型鑄鍛件，1982，(4)：48-58，22.

[2] 陶正耀，周枚青.55噸鋼錠的解剖試驗[J].大型鑄鍛件，1982，(4)：1-22.

[3] 徐建輝，孫利剛.大型垂直定向凝固鋼錠凝固過程數值模擬[J].上海電機學院學報，2005，8(6)：22-27.

[4] 顧江平，劉莊，陳曉慈.定向凝固鋼錠中宏觀偏析的預測[J].金屬學報，1997，33(5)：461-466.